一種基于用戶劃分的LTE 上行閉環(huán)功率控制算法

袁 泉，孫彥超，李校林，李大龍

(1.重慶郵電大學，重慶400065;2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶400065)

0 引言

長期演進［1］(long term evolution，LTE)上行多址接入采用單載波頻分多址接入(single carrier-frequency division multiple access，SC-FDMA)方案，避免了小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾，但在頻率復用因子為1的情況下不能避免小區(qū)間干擾。解決小區(qū)間干擾問題的主要思路［2］是限制可能產(chǎn)生干擾的時頻資源分配或在一定時頻資源上限制發(fā)射功率。相對于前者，功率控制方案不會因為用戶數(shù)目和位置的變化而復雜度急劇增加，它的實現(xiàn)比較簡單靈活。

3GPP規(guī)定LTE上行鏈路采用開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的功率控制方法［3］，補償路徑損耗和陰影衰落并降低小區(qū)間干擾。目前大多數(shù)研究僅局限于開環(huán)功率控制算法［4-9］。而在用戶根據(jù)開環(huán)功率控制算法計算初始發(fā)射功率發(fā)送上行數(shù)據(jù)之后，若用戶一直處于附著狀態(tài)，開環(huán)功率控制就不再起作用，因此，閉環(huán)功率控制具有重要的研究意義。文獻［7］中的小區(qū)間功率控制算法通過設(shè)計迭代函數(shù)來比較信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)測量值和SINR門限值，從而得出最佳的功率分配方案。文中提出不同的用戶和用戶業(yè)務類型可以設(shè)置不同的SINR門限值，但并沒有對SINR門限值的設(shè)置進行研究。文獻［10］針對傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法不能同時提高小區(qū)邊緣吞吐量和系統(tǒng)吞吐量的缺點，提出經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法。該算法根據(jù)用戶到服務小區(qū)的路徑損耗情況為不同的用戶設(shè)置不同的目標SINR值，但是在小區(qū)邊緣并未考慮到用戶對相鄰小區(qū)的干擾，小區(qū)吞吐量較低。本文在文獻［10］的基礎(chǔ)上，提出一種基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法。算法將用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，分析中心用戶和邊緣用戶對相鄰小區(qū)的干擾情況，采用不同的方法為中心用戶和邊緣用戶設(shè)置目標SINR值。經(jīng)過理論分析后通過MATLAB系統(tǒng)級仿真平臺來驗證算法的性能。

1 LTE上行鏈路功率控制

3GPP規(guī)定了用戶設(shè)備(user equipment，UE)端物理上行共享信道(physical uplink shared channel，PUSCH)的發(fā)射功率配置，第i個子幀中的PUSCH傳輸功率定義如下［3］

(1)式中:PMAX是UE的最大發(fā)射功率;MPUSCH(i)是PUSCH占用的物理資源塊(physical resource block，PRB)數(shù)目;PO_PUSCH(j)由UE和小區(qū)特性參數(shù)2個部分組成;j與UE業(yè)務的類型有關(guān);α(j)是部分功率控制系數(shù)，它是3 bits小區(qū)特性參數(shù)，取值為［0，1］;PL是UE根據(jù)參考信號的接收功率，計算得到的下行路徑損耗估計值;ΔTF(i)是與調(diào)制編碼方式相對應的偏移量;f(Δi)是UE特性的閉環(huán)功率調(diào)整狀態(tài)，其中，Δi是閉環(huán)修正值，而f(·)是一個判斷功率控制調(diào)整狀態(tài)為累積性還是絕對性的功能函數(shù)。

UE在初始進行小區(qū)附著時進行開環(huán)功率控制。若此后附著成功，則使用閉環(huán)功率控制以適應小區(qū)間干擾的變化。LTE閉環(huán)功率控制流程如圖1所示。

本文進行閉環(huán)功率調(diào)整時，采用累積型修正函數(shù)［10］:

(2)式中:δPUSCH是UE特性修正值，稱為發(fā)射功率控制(transmit power control，TPC)命令值;KPUSCH是小區(qū)特性參數(shù)。

圖1 LTE閉環(huán)功率控制示意圖Fig.1 Schematic diagram for LTE closed loop power control

文獻［10］針對傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法不能同時提高邊緣用戶吞吐量和小區(qū)整體吞吐量的缺點，提出經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法，該算法根據(jù)每個用戶到服務基站不同的路徑損耗值(簡稱路損值)為用戶設(shè)置不同的目標SINR值。但是該文獻為用戶設(shè)定目標SINR值時，并未考慮小區(qū)邊緣用戶對相鄰小區(qū)的干擾。如果小區(qū)邊緣用戶到相鄰小區(qū)的陰影衰落較小，或者相鄰小區(qū)屬于異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中半徑較小的小區(qū)，則為小區(qū)邊緣用戶設(shè)置較大的目標SINR值將會對相鄰小區(qū)造成很強的干擾。

2 基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法

針對上述問題，文章提出一種基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法。設(shè)置一個路損門限值PLthres，根據(jù)用戶到服務小區(qū)的路損與該門限值進行比較，將小區(qū)用戶分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，而算法根據(jù)不同的用戶特性設(shè)置閉環(huán)功率控制中目標SINR值。

2.1 小區(qū)中心用戶閉環(huán)功率控制

由于小區(qū)中心用戶距離服務基站較近，信道條件相對較好，而且距離相鄰小區(qū)較遠，對相鄰小區(qū)的干擾也較小。采用經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法中設(shè)定目標SINR的方法，為小區(qū)中心用戶設(shè)定較高的目標SINR值，以此來提高整個系統(tǒng)的性能，如圖2所示。

圖2 小區(qū)中心用戶目標SINRFig.2 SINR target for cell-center users

根據(jù)圖2所示，經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法設(shè)定目標SINR值的公式表示為

(3)式中:SINRtarget表示為用戶設(shè)定的目標SINR值;SINRtarget0表示該算法中小區(qū)邊緣用戶最低目標SINR值;PLMAX是在P=PMAX時對應的路損值。當PL≥PLMAX時，UE使用最大發(fā)射功率。

圖2中，路損值小于PLthres的用戶為小區(qū)中心用戶，則根據(jù)(3)式為用戶設(shè)置閉環(huán)功率控制時的目標SINR值。

2.2 小區(qū)邊緣用戶閉環(huán)功率控制

小區(qū)邊緣用戶距離服務基站較遠，信道條件較差。在忽略快衰落的情況下，用戶對相鄰小區(qū)的干擾主要受2個因素影響:用戶發(fā)射功率和用戶到相鄰小區(qū)的路損。如果2個用戶具有相同的發(fā)射功率，而到相鄰小區(qū)的路損不一樣，則對相鄰小區(qū)的干擾也不一樣。因此，小區(qū)邊緣用戶閉環(huán)功率控制中，目標SINR值的設(shè)置需要考慮用戶到受干擾最強的相鄰小區(qū)的路損情況。在不對該相鄰小區(qū)產(chǎn)生較強干擾的情況下，設(shè)置盡量大的目標SINR值，如圖3所示。

圖3 小區(qū)邊緣用戶目標SINR Fig.3 SINR target for cell-edge users

路損值大于PLthres的用戶為小區(qū)邊緣用戶。文獻［5］提出基于路損差的開環(huán)功率控制算法，本文在文獻［5］的基礎(chǔ)上，提出對小區(qū)邊緣用戶的閉環(huán)功率控制中目標SINR的設(shè)定方法。

圖3中目標SINR值的設(shè)定公式為

(4)－(6)式中:ΔPLMAX為 SINRtarget取最大值SINRMAX時的最大路徑損耗差值，在參數(shù) α和SINRMAX已設(shè)定的情況下，ΔPLMAX為固定值;SINRMAX是為避免遠近效應而固定設(shè)置的最大的目標SINR值;PLneighbor是小區(qū)邊緣用戶到受干擾最強的相鄰小區(qū)的路徑損耗值;PLserving是小區(qū)邊緣用戶到服務小區(qū)的路徑損耗值;ΔPL是小區(qū)邊緣用戶到服務小區(qū)和受干擾最強的相鄰小區(qū)之間的路徑損耗差值，若ΔPL＜ΔPLMAX，根據(jù)(4)式計算SINRtarget的值;若ΔPL≥ΔPLMAX，則 SINRtarget值取最大值SINRMAX。當小區(qū)邊緣用戶到受干擾最強的相鄰小區(qū)基站和服務基站之間的路損差低于 ΔPLMAX時，設(shè)定的目標SINR值不斷增大，斜率為1－α，達到ΔPLMAX之后，不再增加。這種為小區(qū)邊緣用戶設(shè)定目標SINR值的算法在不對相鄰小區(qū)產(chǎn)生過強干擾的情況下，盡量設(shè)置較大的目標SINR值，能夠在一定程度上提高小區(qū)邊緣吞吐量。

2.3 基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法流程

綜上所述，基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法的流程如下。

1)每個小區(qū)進行獨立的PRB分配;

2)UE接收下行參考信號，獲取到服務小區(qū)和受干擾最強鄰小區(qū)的路損值。若是初次附著小區(qū)，則根據(jù)開環(huán)功率控制算法計算初始發(fā)射功率;否則，使用TPC命令調(diào)整后的發(fā)射功率。將數(shù)據(jù)信息和獲取的路損值發(fā)給基站;

3)服務基站進行接收測量SINR，獲取UE反饋的路損值，并根據(jù)PLthres將用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，計算小區(qū)邊緣用戶到服務小區(qū)和受干擾最強的相鄰小區(qū)的路徑損耗差值。

4)服務基站判斷每個用戶是小區(qū)中心用戶還是小區(qū)邊緣用戶，若為小區(qū)中心用戶，則使用2.1中的算法設(shè)定目標SINR值，將接收測得的SINR值與設(shè)定的目標SINR值進行比較，發(fā)送TPC命令;若為小區(qū)邊緣用戶，使用2.2節(jié)中的算法設(shè)定目標SINR值，將接收測得的SINR值與設(shè)定的目標SINR值進行比較，發(fā)送TPC命令。

5)用戶接收TPC命令，調(diào)整發(fā)射功率。轉(zhuǎn)到步驟2)。

3 系統(tǒng)級仿真分析

為驗證上述算法的性能，使用MATLAB搭建LTE多小區(qū)上行系統(tǒng)級仿真平臺。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。將用戶隨機分布在相鄰的3個扇區(qū)內(nèi)，每個扇區(qū)隨機分配100個用戶，每個用戶占用一個PRB，并假設(shè)在同一次快照內(nèi)每個用戶的路徑損耗和陰影衰落不變。

表1 仿真參數(shù)列表Table1 Simulation parameters

選取PLthres=75.54 dB作為劃分中心用戶和邊緣用戶的路損門限值。以傳統(tǒng)閉環(huán)功控算法(closed loop power control，CLPC)、經(jīng)典 SINR 閉環(huán)功控算法以及本文提出的基于用戶劃分的閉環(huán)功控算法作為仿真對象，仿真得到3種算法的干擾水平、小區(qū)吞吐量，如圖4所示。

圖4 受干擾最強鄰小區(qū)的上行干擾水平抬升Fig.4 Interfere over thermal noise for the neighbor cells which suffering the strongest interference

從圖4中可以看出，傳統(tǒng)閉環(huán)功控算法將所有用戶的目標SINR設(shè)置為4 dB，小區(qū)邊緣用戶對相鄰小區(qū)的干擾最強;經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法為用戶設(shè)置的目標SINR值先隨著用戶路損的增加而線性降低，降低到一定水平后保持恒定值，該算法將干擾控制在較低的水平上;而本文提出的算法在經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法的基礎(chǔ)上考慮對相鄰小區(qū)的干擾，減小了小區(qū)邊緣用戶的目標SINR值，有效地控制了對相鄰小區(qū)干擾水平的動態(tài)范圍(曲線斜率更高)，相比于經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法在高干擾部分對相鄰小區(qū)的干擾水平最大能夠降低2 dB。

圖5是小區(qū)用戶平均吞吐量的概率密度曲線圖。

圖5 小區(qū)用戶平均吞吐量Fig.5 Average throughput for cell users

從圖5可以看出，本文提出的功控算法考慮了小區(qū)邊緣用戶對相鄰小區(qū)的干擾，在滿足基本業(yè)務需求的情況下設(shè)置了較低的目標SINR值，降低了小區(qū)間干擾，使得小區(qū)總吞吐量有一定的提高，因此，總吞吐量部分的概率密度曲線相對靠右。對小區(qū)中心用戶采用經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法，因此，仿真曲線在高吞吐量部分與經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法重合。圖6是小區(qū)總吞吐量的統(tǒng)計圖。

圖6 小區(qū)總吞吐量Fig.6 Total cell throughput

從圖6也可以看出，本文提出的功控算法有效地提高了小區(qū)總吞吐量。

4 結(jié)束語

本文在經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法基礎(chǔ)上，將小區(qū)用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，使用不同的方法為中心用戶和邊緣用戶設(shè)置閉環(huán)功控的目標SINR值。為小區(qū)中心用戶設(shè)置目標SINR時不考慮用戶對相鄰小區(qū)的干擾，而為小區(qū)邊緣用戶設(shè)置目標SINR時考慮了對相鄰小區(qū)的干擾。仿真結(jié)果顯示，本文提出的基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法能夠在降低對相鄰小區(qū)的干擾的同時，提高小區(qū)總吞吐量。受干擾最強的相鄰小區(qū)的路損情況可以通過切換測量獲得，算法復雜度較低且易于實現(xiàn)。

［1］沈嘉.3GPP長期演進技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2009.SHEN Jia.3GPP Long-term study technology principle and system design［M］.Beijing:The post and telecom press，2009.

［2］ZHOU Meng，WANG Jiang.A Novel Uplink Inter-Cell Interference Management Method for TD-LTE System［J］.Chinese communication，2011，8(2):173-180.

［3］3GPP TS36.213 V9.3.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Layer Procedures［EB/OL］.(2010-09-18)［2010-10-03］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/36.213/.

［4］SAFA Essassi，MOHAMED Siala，AOFIANE Cherif.Dynamic Fractional Power Control for LTE Uplink［C］//IEEE.The 22ndInternational Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC).Toronto:IEEE Press，2011:1606-1610.

［5］RAOANIL M.Reverse Link Power Control for Managing Inter-cell Interference in Orthogonal Multiple Access Systems［C］//IEEE Vehicular Technology Conference(VTC).Baltimore:IEEE Press，2007:1837-1841.

［6］鄭毅，王亞峰，楊大成.上行干擾抑制中的功率控制［J］.移動通信，2009，6(10):20-25.DENG Yi，WANG Yafeng，YANG Dacheng.Uplink power control in the interference control［J］.Mobile communication，2009，6(10):20-25.

［7］ZHANG Hui，XU Xiaodong.Performance of power control in inter-cell interference coordination for frequency reuse［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2010，17(1):37-43.

［8］鄧歡，陳前斌.LTE SON下一種自適應業(yè)務環(huán)境的功率控制選擇算法［J］.重慶郵電大學學報:自然科學版，2011，23(6):661-664.DENG Huan，CHEN Qianbin.A power control selection algorithm of adaptive service environment in LTE SON［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2011，23(6);661-664

［9］孔祥祎，趙季紅.LTE-Advanced中QoS參數(shù)映射的研究［J］.中興通訊技術(shù)，2011，17(4):43-47.KONG Xiangyi，ZHAO Jihong.Study of the Mapping of QoS Parameters in LET-A System［J］.ZTE，2011，17(4):43-47.

［10］BILAL Muhammad，ABBAS Mohammed.Performance E-valuation of Uplink Closed Loop Power Control for LTE System［C］//IEEE Vehicular Technology Conference(VTC).Alaska:IEEE Press，2009:1-5.